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  • 1. Protokolle der OSI-Schicht 1 Physical Layer Kapitel 6.1 Netze und Protokolle Dr.-Ing. J. Steuer Institut für Kommunikationstechnik www.ikt.uni-hannover.de Literatur: [Spra91] J.D.Spragins,et.all, Telecommunications Protocols and Design, Addison Wesley Publishing Company, 1991, ISBN 0-201-09290-5 [Hals96] F.Halshall, „Data Communications, Computer Networks and Open Systems“, 4th edition, Edison-Wesley, 1996, ISBN 0-201-42293-X [Stall90] William Stallings, Local and Metropolitan Area Networks, 1990; MacMillen Publishing Company, ISBN0-02-415465-2 [Kann] Kanbach, Körber, ISDN - Die Technik, Hüthig-Verlag © UNI Hannover, Institut für Allgemeine Nachrichtentechnik
  • 2. Goals Based on the OSI-model and the network structures explained in the introduction this lecture shall clarify the role of the layer 1 : it shall enhance the understanding of the concept of the layer 1, the physical layer: specification of mechanical, electrical, functional and procedural issues the following examples are used to show the differences in implementations Terminal equipment for voice and data networks using wired and wireless access network elements for public and private networks using switched and leased lines : PDH, SDH, switches and router (2) Sometimes we find more functions in layer one than defined in the OSI-Standard. Remember the value OSI-Standard is the concept, not the actual implementation. You will find these differences comparing the different physical layers presented here. Of course there is also a history in the development of the layer one functionality. The evolution was driven by technological enhancements. In the very beginning of digital systems (where the roots of the OSI-system descend from) we had only base band transmission, pulses of DC. Clearly the physical layer is with a high probability different in modern mobile systems with OFDM-transmission and SDMA access techniques. Sometimes the way of the graphical representation of the layered model of the communication stack is so different from the original OSI standard that you nearly can´t recognize it, still the concept is similar. We find this often in the layering transmission stacks. This is not for fun or because transmission engineers need to be different, it is just because they need a more detailed view on the transmission link than the switching engineer. © UNI Hannover, Institut für Allgemeine Nachrichtentechnik
  • 3. Functions to layers in the ISDN protocol stack Layer Function 7: Application application related functions 6: encription compression Presentation decription expansion 5: session session session to session session connection connection transport connection Session management connection establishment release synchronization mapping 4: Transport Transport Transport Error detection Flow Segmenting connection connection connection /recovery control blocking Transport multiplexing establishment release 3: Routing network network network congestion addressing connection connection connection control Network relaying establishment release multiplexing 2: data link data link Flow control Error control sequence Frame media connection connection control synchronization access Data Link establishment release control 1: physical layer physical bit channel bit synchronization connectors connection connection transmission structure Physical activation deactivation multiplex (3) The ISDN protocol stack serves as example for the functional assignment to the layers of a protocol stack. In this chapter we are dealing with the physical layer only. The student shall understand that other protocol stacks show different assignments. The assignments are influenced by history and functional requirements. Some protocols were developed during the same period than the OSI protocol concept. This explains mayor differences, because it took some time until OSI was stable. Protocols developed prior to OSI do not need explanations for deviations. But why even protocols differ from OSI which were developed post OSI? Very simple: OSI puts a burden on the implementation, because it might not be efficient regarding timing and control overhead. Time and transmission capacity critical applications, like ATM or TCP/IP in certain applications force the developer to deviate from OSI implementation. Notice: Deviations are only allowed in layering and in functional assignments to layers. All other issues of OSI concepts should be followed strictly! Try to find out, why the channel structure multiplex is implemented in the layer one and not in the layer two! © UNI Hannover, Institut für Allgemeine Nachrichtentechnik
  • 4. Functions to layers in IEEE802.3 - Ethernet Layer Function 7: Application 6: Presentation Do you realize differences Do you realize differences 5: To the ISDN protocol stack? Session To the ISDN protocol stack? 4: Transport 3: Network 2: LLC Link Level Data Link Control MAC Media Access Control 1: connectors bit bit transmission synchronization Physical (4) The IEEE 802.3 (Ethernet) protocol stack compared to the last slide (ISDN Protocol stack) proofs the statement, that the functional assignment differs from application to application. The Ethernet LAN (Local Area Network) establishes links between terminals simply by broadcasting the messages on a shared media, e.g. an coaxial cable. This holds for the 10Mbit/s Ethernet only! The packets broadcasted carry the address of the receiver and are passing every station. Only the addressed station shall access the packet. For such a scheme a network layer is not required, there is no switching, no routing, no connection control. The protocol is indeed very simple. The simplicity is paid for with a high need for bandwidth, but that is not critical in the local access. Especially not in the later versions of the IEEE 802.3 with 100Mbit/s ore 1 Gbit/s where the medium is no longer shared between the connected stations. Mor details will be given in the lecture dealing with the layer 2. © UNI Hannover, Institut für Allgemeine Nachrichtentechnik
  • 5. mechanical principles, layer 1 Physical Physical Terminal Communications Communication Terminal Communications Communication Terminal Layer Terminal Layer Interface Equipment Channel Interface Equipment Channel Interface Interface few 10 few 100 few 10 km few meters meters meters the closer we are to the Terminal, the more dedicated wires are used for communication, control, synchronization and grounding the more wires a connection has the shorter it is designed long distance networks are supplied with 4-wire (2-fibre) techniques in order to support different channels for both directions subscriber access equipment is often designed for 2-wire connections to save investment (last mile!) [seperation of both communication directions are handled with frequency-, time-, code- or hybrid-multiplex] (5) © UNI Hannover, Institut für Allgemeine Nachrichtentechnik
  • 6. electrical principles, layer 1 Physical Physical Terminal Communications Communication Terminal Communications Communication Terminal Layer Terminal Layer Interface Equipment Channel Interface Equipment Channel Interface Interface high voltage telecommunication logical power e.g. 15V, high level: about 0,7V, level, e.g. TTL, distortion margin near end cross talk CMOS,.. close to the terminal the logical levels of the logic family implemented in the adjacent equipment are used longer distances to the communications equipment require higher distortion margins long distance networks are supplied with 4-wire twisted pair (or 2-fibre) techniques in order to support dedicated channels for both directions subscriber access equipment is often designed for 2-wire connections to save investment (last mile!) [separation of both communication directions are handled with frequency-, time-, code- or hybrid-multiplex] remote power feeding is found between the first network element and the terminal equipment (6) © UNI Hannover, Institut für Allgemeine Nachrichtentechnik
  • 7. User Communications Equipment Interfaces (1) Physical Physical Terminal Communications Communication Terminal Communications Communication Terminal Layer Terminal Layer Interface Equipment Channel Interface Equipment Channel Interface Interface 2wire analog line 2w analog Telephone NT Modem Plug with resistor PC with Modem RS 232 (min. 10w) NT V.24, X.21 2wire S0-bus NT 4 wire Terminal alternative Modem adaptor 2 w(U-Interface) PC on ISDN 2 wire min. S0-bus NT digital line, 10w 4 wire analog line ISDN S0-bus RS 232 (min. 10w) NT 4 wire V.24, X.21, USB adaptor S0-bus NT 4 wire ISDN Telephone (7) This and the following slides shall illustrate scenarios in our networks, where the OSI-concepts are applied. The scenarios above are not complete, they serve as example only. Terminal Equipment, Terminal Interface and Physical Layer Interface are normally integrated into the Computer. Only in the old days they were distributed over several boxes. Even the communications equipment is in modern systems integrated into the Terminal Equipment, e.g. the ISDN Adapter. major differences of the scenarios: number of wires used to interconnect the units specification of the electrical signal at the interfaces networks which are used different access methods to the network Another issue to be to be paid attention to is the implementation of the OSI-Layers in the different boxes. Each box does not serve the layer 1 only but upper layers as well. Which layers are implemented is differing from scenario to scenario. © UNI Hannover, Institut für Allgemeine Nachrichtentechnik
  • 8. Physical layer, modem Modem RS 232 (min. 10w) NT V.24 2 wire centronix plug TAE plug (1TR ) (ISO 2110) • ITU V.24 •electrical: min +3V logical 0 / -3V Western plug logical 1 (ISO8877/RJ45) 4w of 8w •max +15V logical 0 / -15V logical 1 note: symmetric to ground! • ITU V.28 or RS232: • electrical: 860mV ac (0Np) •alternative: 20mA current on 2w • modulation: ASK (Amplitude shift keying) (insensitive against noise) FSK (Frequency SK) •cable length (V.24/RS232): 15m PSK (Phase SK) •bit rates < 20kBit/s • transmission rates: • ITU V.10/11 RS423A/422A from 200bit/s to 56Kbit/s •allow for max 10Mbit/s and 10m or 100Kbit/s and 1000m (8) © UNI Hannover, Institut für Allgemeine Nachrichtentechnik
  • 9. Pins of RS 232 (9) © UNI Hannover, Institut für Allgemeine Nachrichtentechnik
  • 10. Connection set up (procedure) (10) © UNI Hannover, Institut für Allgemeine Nachrichtentechnik
  • 11. Limitations of V.24/RS232 low speed short length (15m) different ground potentials at transmitter and receiver can influence the signal expensive due to min 10 wires number of options in the standard is 15! (11) © UNI Hannover, Institut für Allgemeine Nachrichtentechnik
  • 12. physical layer, X.21 DCE DTE kein Telefonnetz! X.21 NT 4 wire B-Bytetakt/Byte timing S-Schrittakt/Signal element timing I-Melden/Indication DÜE C-Steuern/Control DEE R-Empfangen/Receive DCE T-Senden/Transmit DTE Ga-DEE Rückleiter/Signal Ground G-Erdleiter/Ground Gb-DÜE Rückleiter/Signal Ground (12) X.21 ist der ITU-T-Standard für den Zugriff auf digitale Netze. (max. 10MBit/s) Infos siehe: http://www.frankuhlig.de/basics/schnittstellen.htm DEE DatenEndEinrichtung DTE DataTerminalEquipment DÜE DatenÜbertragungsEinrichtung DCE DataCommunicationEquipment Anschlüsse der X.21-Schnittstelle © UNI Hannover, Institut für Allgemeine Nachrichtentechnik
  • 13. physical layer, X.21 DCE DTE kein Telefonnetz! X.21 NT 4 wire Zeit/time DÜE/DCE Transmit Network Steuerinfo zum Steuerinfo zum Transparente Daten, 8bit orientiert/ Rufabbau (IA5) Rufaufbau (IA5) Control Info to Control Info Release (IA5) for call setup (IA5) Zeit/time Receive Steuerinfo zum Steuerinfo zum Transparente Daten, 8bit orientiert Rufaufbau (IA5) Rufabbau (IA5) Control Info Control Info to for call setup (IA5) Release (IA5) (13) DCE-Schnittstelle X.21 - V.11, 15-polige D-Sub Buchse Pin Nr. X.21 / Richtung Funktion V.11 1 2 Txd(+) > transmit data 3 Ctrl(+) > control 4 Rxd(+) < receive data 5 Ind(+) < indicate 6 Set(+) < signal element timing 7 8 GND <> signal ground 9 Txd(-) > transmit data 10 Ctrl(-) > control 11 Rxd(-) < receive data 12 Ind(-) < indicate 13 Set(-) < signal element timing 14 15 Pin Nr. X.21 / V.11 Richtung Funktion 1 Die Schnittstelle vom Netzabschluß (DUE) zum Netz ist 2 Txd(+) < transmit data in X.21vierdrähtig. Die Übertragung ist vollduplex und 3 Ctrl(+) < control 4 Rxd(+) > receive data nur durch Paritätsbits gesichert. Die Information wird 5 Ind(+) > indicate mit den Zeichen des internationalen Alphabets No 5 6 Set(+) > signal element übertragen. timing 7 Das internationale Alphabet No5 ist ein sieben Unit 8 GND <> signal ground Alphabet, d.h. es wird mit 7Bit per Zeichen codiert. Ein 9 Txd(-) < transmit data achtes Bit ist für die Parität vorgesehen 10 Ctrl(-) < control 11 Rxd(-) > receive data (s.Recommendation ITU-T X4) 12 Ind(-) > indicate 13 Set(-) > signal element timing 14 15 © UNI Hannover, Institut für Allgemeine Nachrichtentechnik
  • 14. characteristica X.21 better than RS232 (number of pins, length) X.21bis allows adaptation to RS232 control flow is slower than with RS232 no control during data transfer contol logic (procedures) implemented in layer 1! (not OSI- conform) (14) Die X.21-Empfehlung ist Anfang der 70er-Jahre bei CCITT (Vorgänger ITU-T) entstanden. Zu diesem Zeitpunkt gab es das OSI-Modell noch nicht. So nimmt es nicht Wunder, daß die Abbildung der X.21- Empfehlung auf das OSI-Schichtenmodell nicht vollständig möglich ist. Die X.21-Empfehlung hat Elemente aus den Schichten 1,2 und 3. Sie kennt z.B.. noch nicht die Service Access Points aus dem OSI-Modell. Selbst die Schicht 1 entspricht nicht dem OSI-Standard, da sie nicht bittransparent ist. Kurzzeitige Signale werden in der Schicht 1 gespeichert und als Zustände an die Schicht 2/3 weitergegeben. Aus dieser Speicherfunktion ergibt sich die Notwendigkeit auch zeitliche Zusammenhänge zu betrachten. Die bei X.21 vereinbarten Protokolle sind noch sehr einfach. Sie erlauben in der Schicht 2 kaum Fehlerbehebungen, sondern nur gezieltes Auslösen der Verbindung. Die Signalisierung ist nur sehr mangelhaft gesichert! Dies ist einer der Hintergründe, warum man die vermittelten X.21-Netze außer Betrieb nimmt. Für die fest geschalteten Verbindungen wird keine Signalisierung eingesetzt, sondern nur die Zusammenschaltung durch den Operator, entweder durch manuelle Verbindung (Löten, Stecken) oder mit hilfe der Cross Connect-Systeme. Bei der X.21Schnittstelle werden physikalisch die oben bezeichneten Leitungen verwendet. Es ist darauf zu achten, daß die Erdleitungen nicht zusammengeschaltet werden. G steht für Ground. Der G-Leiter kann für Abschirmzwecke an den Kabeln verwendet werden. Die eigentliche Datenübertragung findet auf den Leitern R (receive) und T (transmit) statt. Die Leitungen I (indicate) und C (control) dienen der Steuerung der Datenflusses. Mit dem Schrittakt S wird die Synchronität der Endeinrichtung mit dem netz hergestellt. Der Bytetakt B ist nur optional. © UNI Hannover, Institut für Allgemeine Nachrichtentechnik
  • 15. User Communications Equipment Interfaces (1) Physical Physical Terminal Communications Communication Terminal Communications Communication Terminal Layer Terminal Layer Interface Equipment Channel Interface Equipment Channel Interface Interface 2wire analog line 2w analog Telephone NT Modem Plug with resistor PC with Modem RS 232 (min. 10w) NT V.24, X.21 2wire S0-bus NT 4 wire Terminal alternative Modem adaptor 2 w(U-Interface) PC on ISDN 2 wire min. S0-bus NT digital line, 10w 4 wire analog line ISDN S0-bus RS 232 (min. 10w) NT 4 wire V.24, X.21, USB adaptor S0-bus NT 4 wire ISDN Telephone (15) This and the following slides shall illustrate scenarios in our networks, where the OSI-concepts are applied. The scenarios above are not complete, they serve as example only. Terminal Equipment, Terminal Interface and Physical Layer Interface are normally integrated into the Computer. Only in the old days they were distributed over several boxes. Even the communications equipment is in modern systems integrated into the Terminal Equipment, e.g. the ISDN Adapter. major differences of the scenarios: number of wires used to interconnect the units specification of the electrical signal at the interfaces networks which are used different access methods to the network Another issue to be to be paid attention to is the implementation of the OSI-Layers in the different boxes. Each box does not serve the layer 1 only but upper layers as well. Which layers are implemented is differing from scenario to scenario. © UNI Hannover, Institut für Allgemeine Nachrichtentechnik
  • 16. physical layer, ISDN S0-bus NT 4 wire What is substantially different from the configurations of RS232 and X.21? (16) © UNI Hannover, Institut für Allgemeine Nachrichtentechnik
  • 17. S0-Schnittstelle (1) 3 Kanäle je Richtung im Zeitmultiplex, 2B+D16 Busstruktur für max. 8 aufgesteckte Endgeräte gemeinsame Nutzung des D-Kanals durch alle Endgeräte zwei Endgeräte können gleichzeitig je einen Nutzkanal belegen kein Internverkehr möglich Richtungstrennung durch Vierdrahtbetrieb Internationale Normung der S-Schnittstelle zur Erreichung einer weltweiten Endgeräte-Portabilität (17) Bisher leider nur für Schicht 1 und Schicht 2 erreicht, Endgeräte sind daher mit unterschiedlicher Software für die jeweiligen Protokolle auszustatten. © UNI Hannover, Institut für Allgemeine Nachrichtentechnik
  • 18. S0-Schnittstelle (2) TEA TEB NT Uk0 R R R R S0 (18) Richtungstrennung auf S durch Vierdrahtbetrieb: auf einer Doppelader sendet der NT an alle TEs die zweite Dopplerader nutzen alle TE gemeinsam für ihre Sendewünsche Richtung NT Abschluß der Leitungen mit je R=100 Ohm galvanische Trennung zwischen Leitungen und Geräten durch Übertrager Nennübertragungsrate auf S0 je Richtung 192 kbit/s (2 mal 64kbit/s, 1mal 16kbits, zus. Synchronisations- und Steuerungsbits s.u.) © UNI Hannover, Institut für Allgemeine Nachrichtentechnik
  • 19. Merkmale des S0-Rahmens nach ITU-T I.430/431 Buskonfiguration 1) alle Endgeräte empfangen das selbe Signal alle Endgeräte senden gemeinsam über eine Doppelader; insbesondere gemeinsamer Zugriff auf den D-Kanal 2); Echo-Kanal zur D-Kanal-Zugriffsteuerung Aufstecken und Ziehen eines Endgerätes am Bus ohne Störung bestehender Verbindungen möglich3) Zeitmultiplex der einzelnen Kanäle (19) 1)Diese Buskonfiguration führt zu wesentlichen Unterschieden in dem grundsätzlich angewendeten HDLC- Protokoll auf der Schicht 2 2) Hier liegt wieder das Problem der Benutzung gemeinsamer Kommunikationsmedien dezentralen Partner ohne gemeinsame Steuerung vor. Gleichzeitige Versuche, das Kommunikationsmedium zu benutzen führt zu Konflikten, folglich muß der Zugriff besonders gesteuert werden. Das übliche Verfahren ist, dass vor einem Sendeversuch in das Kommunikationsmedium herein gehört wird und nur wenn der Eindruck besteht, es sei frei tatsächlich gesendet wird. Wenn dieser Vorgang von zwei Teilnehmern exakt zur gleichen Zeit erfolgt, ist der Konflikt vorprogrammiert, da beide im guten Glauben sind das Medium sei frei. Der Konflikt muss dann erkannt werden und kann nach der Erkennung beseitigt werden. 3)Sollte von dem Apparat, der gezogen wird eine Verbindung bestehen, so wird diese eigene Verbindung in der Regel sehr wohl gestört (abgebaut), da das Endgerät seine TEI „vergisst“, es sei denn der Apparat verfügt über eine Batteriepufferung und benutzt nicht das Fehlen der Schicht 1 als Indikator zum Rücksetzen. Sollte in einem solchen Fall eine Batteriepufferung vorliegen und der Vorgang des Umsteckens an eine andere Steckdose dauert zu lange, so wird die Verbindung von der Vermittlungsstelle nach Ablauf eines Timers ausgelöst. © UNI Hannover, Institut für Allgemeine Nachrichtentechnik
  • 20. Merkmale des S0-Rahmens Rahmenorientierte Übertragung auf S0 1) Gleichanteilsfreie Übertragung 2) Aktivierungsprozedur zur Herstellung von Bit- und Rahmensynchronisation 3) Bittakterkennung durch Flankenerkennung 4) Schicht 2: Rahmenerkennung durch definierte Verletzung der Coderegel 5) (20) 1) Der Rahmen muss vorhanden sein, da mehrere Kanäle gemultiplext werden. Es existiert darüber hinaus ein Überrahmen für die Signalisierung, da die Übertragungsrate der Signalisierung sehr viel kleiner ist, als die des Nutzkanales. 2) Das Signal muss gleichanteilsfrei sein, damit die Leitungen mit Übertragern absolut symmetrisch abgeschlossen werden können; auf diese Weise lassen sich eingekoppelte Störsignale am Übertrager als Abschluss eliminieren. 3) Die Aktivierungsprozedur wird von dem ersten Endgerät das an den S0-Bus angesteckt wird eingeleitet. Alle nachfolgenden Geräte müssen sich in den dann schon bestehenden Rahmen einfügen. 4) Zur Bittakterkennung: Die Vermittlungsstelle gibt den Takt mit hoher Genauigkeit vor. Die Länge der Teilnehmeranschlussleitung ist bezogen auf die Laufzeit und Laufzeitschwankungen kurz. Die Dauer eines einzelnen Bits ist bekannt. Wenn im D-Kanal und im B-Kanal keine Information übertragen wird, ist immer noch das F-Bit und das FA-Bit vorhanden, die Taktinformation liefern. Der lokale Quarz muß nur genau genug sein, um die Zeit zwischen diesen Bits zu überbrücken. Es wird also keine PLL benötigt (schadet aber auch nicht). 5) Diese Codeverletzung reduziert den Overhead für die Synchronisation auf ein Bit pro Rahmen. Im Vergleich dazu: HDLC-Protokoll wird ein Oktett für die Synchronisation pro Paket eingesetzt, ebenso wird im PCM30 Rahmen ein ganzes Oktett für die Synchronisation verwendet. © UNI Hannover, Institut für Allgemeine Nachrichtentechnik
  • 21. Signale in der Schicht 1 Info0 von TE oder NT kein Signal , Ruhe Info1von TE Aktivierungsanforderung an den NT ----HL------HL------HL------HL--... Info2 von NT einen Grundrahmen zur Syncronisation der TEs (A=0) Info3 von TE stabile Rahmen mit Kanälen zum NT Info4 von NT stabile Rahmen mit Kanälen zu den TEs (A=1) (21) Die Aktivierungsinformation (Info 1) wird nur vom ersten Endgerät, das sich anschaltet auf den S0-Bus gegeben. Wenn schon ein Endgerät angeschaltet ist, steht schon Info 3 und Info 4 an, auf diese Rahmen kann sich das neue Endgerät direkt aufschalten und die Verhandlung mit der VST zum Aushandeln der TEI vornehmen; dieser Vorgang gehört allerdings in die Schicht 2. © UNI Hannover, Institut für Allgemeine Nachrichtentechnik
  • 22. Signale in der Schicht 1 (22) © UNI Hannover, Institut für Allgemeine Nachrichtentechnik
  • 23. Leitungscodierung auf der S0 -Schnittstelle AMI - Alternate Mark Inversion: Eine Markierung (1) wird abwechselnd mit AMI-Code positivem bzw. negativem Impuls dargestellt. 01011100 Pseudoternärer Code: zwei logische Zustände + + (Null, Eins) werden auf 3 physikalische Zustände abgebildet (pos. Impuls +, kein - - Impuls 0, neg. Impuls -) (gleichspannungsfrei) inv. AMI-Code Am ISDN-Basisanschluß eingesetzt wird ein 01011100 invertierter AMI-Code: + + nicht die (1), sondern die (0) wird - - abwechselnd mit positivem bzw. negativem Impuls dargestellt. Grund: beim Kanalzugriff setzt sich die binäre null durch, s. layer 2 (23) © UNI Hannover, Institut für Allgemeine Nachrichtentechnik
  • 24. Physical Layer: Definitionen Es müssen Toleranzbereiche für die Signale definiert werden! Impulsmaske: (24) Problem: An einem Anschluss können mehrere Geräte sein. Die Signale von diesen Geräten können unterschiedliche Entfernungen von der Empfangsstation haben und somit unterschiedlich verzögert und verzerrt bzw. gedämpft ankommen. Außerdem können andere Störungen auf dem Bus vorhanden sein. Der NT verwendet die Impulsmaske, um zu entscheiden, welche Impulse als gültig angenommen werden. Impulse, die nicht in die Maske passen, werden als ungültig betrachtet. © UNI Hannover, Institut für Allgemeine Nachrichtentechnik
  • 25. S0-Rahmenaufbau 48 bits in 250 microseconds N T to TE D L. F L. B1B1B1B1B1B1B1B1 E D A FA N B2B2B2B2B2B2B2B2 E D M B1B1B1B1B1B1B1B1 E D S B2B2B2B2B2B2B2B2 E D L. F L. 0 1 0 2 bits offs et TE to NT D L. F L. B1B1B1B1 B1 B1 B1 B1 L. D L. FA L. B2B2 B2 B2 B2 B2B2 B2 L. D L. B1 B1 B1 B1 B1B1 B1 B1 L. D L. B2 B2 B2 B2 B2 B2 B2 B2 L. D L. F L. Impuls: + 0 - t A Aktivierungsbit FA Hilfsrahmenbit . an diesen Stellen ist der B1 Bit des 1. B-Kanals L DC-Ausgleichbit Code gleichanteilsfrei B2 Bit des 2. B-Kanals M Multiframingbit = 0 D Bit des D-Kanals N = FA Bruttobitrate E Bit des Echokanals S Spare = 0 4000kHz * 48 = 192 kbps F Rahmenbit (25) © UNI Hannover, Institut für Allgemeine Nachrichtentechnik
  • 26. S0-Busbetrieb max. 12 Steckverbinder Lage des NT am Bus beliebig Längenbegrenzung auch für Stichleitungen NT R R TE TE TE TE TE TE TE TE max. 150m (26) Begrenzung der Länge durch max. zulässigen Phasenversatz zwischen den sendenden TE. Begrenzung der Anzahl aufgesteckter TE durch die resultierende max. zul. Signaldämpfung. © UNI Hannover, Institut für Allgemeine Nachrichtentechnik
  • 27. weitere S0-Betriebsarten R R max. 1000m NT TE a) Punkt-zu-Punkt R R max. 500m NT TE b) Punkt-zu-Büschel (27) Begrenzung des Punkt-zu-Punkt Betriebs durch max. zul. Dämpfung. Punkt-zu-Büschel: max. 4 TE, die einen max. Abstand von 25 m haben dürfen. © UNI Hannover, Institut für Allgemeine Nachrichtentechnik
  • 28. Speisung Speisung der NT aus DIVO Speisung der Telefone aus dem lokalen Strom-Netz, Spannungswandler im Telefon max. Speiseleistung auf S0 : 7W Notbetrieb eines Telefons aus DIVO Speiseleistung aus DIVO ca. 1,3 W max. 400mW für TE max. 350mW für NT max. 500mW für Regenerator (28) Das normale analoge Fernsprechendgerät wird aus der Vermittlungsstelle gespeist. Damit ist der Dienst Fernsprechen unabhängig vom Vorhandensein einer lokalen Spannungsversorgung (z.B. durch die EVUs) sichergestellt. Die Grundfunktion Fernsprechen soll auch im ISDN ohne lokale Versorgungsspannung möglich sein. Aufgaben des Regenerators s. U-Schnittstelle © UNI Hannover, Institut für Allgemeine Nachrichtentechnik
  • 29. Speiseschaltung TE NT a1 a b1 Telefon- 2/4 Draht- elektronik Umsetzer a2 b b2 5V 5V Is 0V I/U- Wandler 40 V na U/U- 0V Wandler +40 V +40 V 220V/ NA 40V 0V ~220 V (29) Über die a,b-Ader und eine Speisedrossel wird die Speisespannung auf einen Wandler gegeben, der die Betriebsspannung für den NT erzeugt. Über einen an das EVU-Netz angeschalteten Spannungswandler im NT wird im Normalbetrieb der S-Bus mit 40V Gleichspannung über den Phantomkreis gespeist. Jedes TE besitzt wiederum einen Wandler, der die im Endgerät benötigte Versorgungsspannung aus der Busspeisung erzeugt bzw. zumindest die Polarität der Speisung prüft. Fällt die EVU-Netzspannung aus, fällt das Relais NA ab und na schaltet auf den von der VST gespeisten Wandler um. Dadurch wechselt die Polarität der Speisespannung. Nur das notspeiseberechtigte Endgerät bleibt betriebsbereit, alle anderen Endgeräte schalten sich ab. Die Einstellung der Notspeiseberechtigt erfolgt über einen Schalter im Endgerät. © UNI Hannover, Institut für Allgemeine Nachrichtentechnik
  • 30. U-Schnittstelle (1) zweidrähtige Schnittstelle aus Kostengründen Verwendung der bereits installierten 2-adrigen Teilnehmeranschluß-leitungen (sowohl in der öffentlichen Technik (Telekom) als auch in der Nebenstellentechnik) am Basisanschluß: Duplexübertragung von 144 kbit/s keine internationale Normung (30) Hohe Investionskosten für eine ev. Neuverkabelung der Teilnehmer. © UNI Hannover, Institut für Allgemeine Nachrichtentechnik
  • 31. U-Schnittstelle (2) denkbare Übertragungsverfahren Frequenzgetrenntlageverfahren nicht eingesetzt wegen hohem Bandbreitebedarf, geringer Reichweite und schlechter Integrierbarkeit Zeitgetrenntlageverfahren Einsatz in TK-Anlagen Echokompensation Einsatz im öffentlichen Netz (Reichweite größer als beim Zeitgetrenntlageverfahren) Auswahl des Verfahren obliegt dem Netzbetreiber (keine int. Normung) (31) Anschlußleitungsnetze der Netzbetreiber sehr unterschiedlich, daher keine internationale Festlegung eines einzigen Übertragungsverfahrens möglich und sinnvoll. Vielmehr erhält der jeweilige Netzbetreiber die Möglichkeit, ein für sein Asl-Netz optimales Verfahren einzusetzen. © UNI Hannover, Institut für Allgemeine Nachrichtentechnik
  • 32. User Communications Equipment Interfaces (2) Physical Physical Terminal Communications Communication Terminal Communications Communication Terminal Layer Terminal Layer Interface Equipment Channel Interface Equipment Channel Interface Interface Plug 802.3, coaxial cable, max 10Mbit/s (5Mbit/s) PC IEEE 802.3 NT LAN Ethernet Hub/Switch 802.3, twisted pair, optical fibre, 2 to 4 pairs, 100Mbit/s, 1Gbit/s PC IEEE 802.3 NT LAN Ethernet Plug, Hub 802.4/5 , or token, phy gleich PC IEEE 802.4/5 NT Token Ring / Bus LAN (32) Here we are looking into access technologies for LAN. Again, the scenarios above are not complete, they serve as example only. For instance the mobile access is not shown, although it exists as HIPERLAN, or W-LAN (IEEE 802.11) or the Bluetooth, amongst others. The ring structure is mainly maintained in the first LAN´s with coaxial cable and a maximum transmission speed of 10Mbit/s. But notice, that due to the Media Access Protocol for all practical purposes it is only possible to achieve a data rate of 5Mbit/s. For 100Mbit/s and 1Gbit/s LAN´s the structure of the access was changed from a ring topology to a star topology. Thus we have the full transmission capacity available (if not with a Hub or Bridge several segments are brought together) © UNI Hannover, Institut für Allgemeine Nachrichtentechnik
  • 33. User Communications Equipment Interfaces (3) Physical Physical Terminal Communications Communication Terminal Communications Communication Terminal Layer Terminal Layer Interface Equipment Channel Interface Equipment Channel Interface Interface Data Terminal Equipment circuit switched line, 4W 15Wires X.21, X.21bis DTE DCE Data Communication Equipment Data Communication: HSCSD, GPRS, UMTS, HIPERLAN,W-LAN (802.11),...... (33) The X.21 respective the X.21.bis (adaptation to the RS232) are still mentioned, although the technology is a little outdated, but the number of running systems with this interface is still tremendous. A very modern example of interfacing data equipment to networks is given with the „Data“-handy. In this case the interface boxes are completely integrated into the handy. The interface is the air interface, which has a highly complicated structure. The handy is not really dealt with during this lecture. The lecture „Intelligent Networks and Mobile networks will take care. © UNI Hannover, Institut für Allgemeine Nachrichtentechnik
  • 34. PDH-Technik zur Verbindungsnetz 34 Mbit/s 140/ 140M 140/ 140M 140M 140/ 140M 32 TE 34 LT TE 34 LT 8 Mbit/s 34/ 34/ 34/ 2 88 2 Mbit/s 8/ 8/ 8/ 2 22 70er-90er Teilnehmer Teilnehmer (34) Die ihm Rahmen verstreute Stopfinformation macht es unmöglich aus z.B. dem 140Mbit/s-Strom direkt einen 64Kbit/s-Kanal oder einen 2Mbit/s-Kanal herauszumultiplexen. Die exakte Lage der Bits ist auf den höheren Ebenen nicht bekannt! Also muß immer zu der Ebene zurückgemultiplext werden, auf der der gewünschte kanal liegt. © UNI Hannover, Institut für Allgemeine Nachrichtentechnik
  • 35. Transmission Equipment Interfaces (1) Transmission Communication ITU-Standard Transmission Communication Line Termination Line Termination Function Channel Function Channel ITU-G.703 optical, RF, coaxial optical, RF, coaxial optical, RF, coaxial optical, RF, coaxial Communication PDH Communication Line Termination Line Termination Channel Channel ITU-G.703 ITU-G.703 ITU-G.650ff optical, RF, coaxial optical, RF, coaxial optical, RF, coaxial optical, RF, coaxial PDH Communication Communication Line Termination PDH Line Termination Channel Channel ITU-G.703 optical, RF, coaxial optical, RF, coaxial optical, RF, coaxial Signal optical, RF, coaxial Signal Communication Communication Regeneration Line Termination Regeneration Line Termination Channel Channel (35) Not only the Terminal equipment is designed according to the layering rules of the OSI-model, but also the transmission equipment. For the PDH-equipment (Plesiochronous Digital Hierarchy) shown here we have some difficulties to map the structure into the OSI-concept. PDH was developed much earlier than OSI-stacks. But at least the physical layer of interfacing to the transmission media can be considered to be close to OSI-ideas. Because transmission equipment is defined to serve as link it covers only layer 1 (physical) and layer 2 (link control). It is not very common to express the relations of transmission entities by the properties of the OSI-model, although it could be done. A very important issue in transmission is the aggregation of signals using multiplexing techniques and even the multiplexing of multiplexed signals. This is difficult to show in the OSI nomenclature. The Regenerator is a symmetrical unit. The picture shows one half of it. The Regenerator is used to form the digital Signal after it is distorted on its path through the transmission media. © UNI Hannover, Institut für Allgemeine Nachrichtentechnik
  • 36. SDH-Multiplexspinne XN X1 140 Mbit/s STM-N AUG AU-4 VC-4 C-4 X3 X1 TUG-3 TU-3 VC-3 X3 X7 45 Mbit/s AU-3 VC-3 C-3 34 Mbit/s X7 X1 TUG-2 TU-2 VC-2 C-2 6 Mbit/s X3 TU-12 VC-12 C-12 2 Mbit/s multiplexing (*N) X4 aligning (+Pointer) TU-11 VC-11 C-11 1.5 Mbit/s mapping (+POH) (36) Die SDH-Spinne ist ein Entity-Relationship Diagram (E-R). E-R zeigen Zusammenhänge(relationship) zwischen funktionalen Einheiten(entity) auf. Sowohl synchrone als auch plesiochrone Nutzlasten können über SDH-Transportsysteme übertragen werden. In Europa ist der VC-4 die Basistransporteinheit, während in den USA der VC-3 dieselbe Rolle spielt. Die x-Werte an den Multiplexpfeilen geben den Multiplexfaktor an. Die niedrigen Bitraten 1,5, 2 und 6Mbit/s führen durch Zufügen des Pathoverheads und Pointers erst zur Tributary Unit. Bei den höheren Bitraten entspricht das der Administrativ Unit. Zu beachten ist noch die Indizierung der Bitraten in den Containern (Cik), i=1 für 1,5 und 2Mbit/s, k=1 für 1,5Mbit/s und k=2 für 2Mbit/s, i=2 für 6Mbit/s © UNI Hannover, Institut für Allgemeine Nachrichtentechnik
  • 37. Transmission Equipment Interfaces (2) Multiplex Communication Multiplex Communication Line Termination Line Termination Interface Channel Interface Channel ITU-Standard optical, RF ITU-G.701-9 optical, RF optical, RF, optical, RF, Communication Communication Line Termination Line Termination Channel Channel SDH optical, RF optical, RF optical, RF, optical, RF, Communication Communication Line Termination Line Termination Channel Channel ITU-G.701-9 optical, RF optical, RF optical, RF, optical, RF, Communication Communication Line Termination SDH Line Termination Channel Channel SDH optical, RF optical, RF, optical, RF optical, RF, Communication Line Termination Communication Line Termination Channel Channel ITU-G.650ff (37) The general remarks for the PDH are valid for the SDH (Synchronous Digital Hierarchy) as well. SDH has a number of advantages compared to PDH which promoted the switch from PDH to SDH in a few years only. SDH is much more cost efficient. Further explanations will be given in the ISDN-lecture. The SDH family has a regenerator as member, but on this level of abstraction the function is identically to the regenerator of the PDH systems. Thus it is not shown. © UNI Hannover, Institut für Allgemeine Nachrichtentechnik
  • 38. Add Drop Multiplexer (ADM) STM4 in STM4out TUG21 TUG22 TUG264 TUG21 TUG22 TUG264 TUG21 TUG22 TUG264 STM11 STM12 STM14 Patchen eines STM4 in 155Mbit/s-Signales Patchen eines 2Mbit/s-Signales TUG21 TUG22 TUG264 TUG21 TUG22 TUG264 TUG21 TUG22 TUG264 STM11 STM12 STM14 STM4 out Add und Drop Add und Drop eines 155Mbit/s Signales eines 2Mbit/s Signales (38) ADM‘s sind in der Lage, aus einem hochbitratigen SDH-Bitstrom plesiochrone und niederratige synchrone Signale herauszulösen bzw. einzufügen. Deshalb ist der Aufbau von Ringstrukturen möglich. Ein Multiplexer hat keinen Zeitlagenumstieg. Ein Eingangscontainer kann immer nur auf denselben Ausgangscontainer geschaltet werden (patchen), oder ein Eingangscontainer kann heraus geschaltet (drop) werden und dafür der zeitlich gleiche im Ausgangsswignal neu belegt (add) werden. Zeitliche Verzögerungen entstehen nur durch die multiplexinterne Bearbeitungszeit der Signale und den Phasenausgleich bei Eingangssystemen unterschiedlicher Herkunft. Eingangs- und Ausgangsleitungen sind topologisch gesehen 1-polige Busleitungen, auf denen serieller Betrieb stattfindet. Durch vervierfachen der STM4-Blöcke kann das Bild auf STM16 Betrieb erweitert werden. Dann können auch die STM4 Signale gepatched oder ein- und ausgefügt werden. Hinweise: Das Blocksymbol oben rechts ist vollduplex gezeichnet, so wie die Realisierungen heute vorliegen. Halbduplexsysteme sind nicht üblich, da diese Technik aus den Sprachdialognetzen stammen, in denen man immer beide Richtungen benötigt (wenn kein TASI (Time Assignement Speech Interpolation) angewendet wird, also keine Sprachpausen genutzt werden, um mit dem Kanal andere Signale zu übertragen). Im Hauptbild ist nur eine Übertragungsrichtung gezeichnet. Die zweite ist zugunsten der Klarheit der Darstellung entfallen, in der Realität aber vorhanden. © UNI Hannover, Institut für Allgemeine Nachrichtentechnik
  • 39. Physical Layer SDH/SONET The specifications cover : optical interfaces (ITU G.957) , electrical interfaces (ITU G.703) radio interfaces submarine systems interfaces compatibility of equipment from different vendors transmission distances depending on fibres and bit rates (39) SONET : Synchronous Optical Network SDH: Synchronous Digital Hierarchy We will not cover the radio interfaces and the submarine systems. The radio systems show very special requirements regarding bit error rates (BER) and the submarine systems need a span (length of multiplex section) of several thousand kilometers(http://home.singtel.com/news/default.asp?art_id={4F269FA3-F938- 031A-E12E-B3FA44FA2458}). © UNI Hannover, Institut für Allgemeine Nachrichtentechnik
  • 40. Reference points for the SDH optical section RS/OS RS/OS OS OS optical section trail OpticalSocket OpticalSocket physical media trail OpticalPlug OpticalPlug Fibre S R (40) Reference points are no interfaces! They describe logical or functional points within the network. The reference point S is the input of an optical fiber for the SDH transmission. The transmission margins for the connection of the optical plug are counted within the transmission system, not within the fiber. The corresponding reference point at the output of that fiber is the R-reference point. Abreviations: RS: repeater section OS: optical section © UNI Hannover, Institut für Allgemeine Nachrichtentechnik
  • 41. Classification of optical interfaces based on application Intra- Application Inter-office office Short-haul Long-haul Source nominal 1310 1310 1550 1310 1550 wavelength (nm) Type of fibre Rec. Rec. Rec. Rec. G.652 Rec. G.652 G.652 G.652 G.652 G.654 G.653 Distance ~ 20 ~ 15 ~ 40 ~ 80 (km)a) (41) © UNI Hannover, Institut für Allgemeine Nachrichtentechnik
  • 42. Transmission Equipment Interfaces (3) Multiplex Communication Multiplex Communication Line Termination Line Termination Interface Channel Interface Channel ITU Standard optical IETF optical Wrapper optical optical Communication Communication Protocol Line Termination Line Termination Channel Channel ITU-G.650ff IEEE optical optical optical 802.3 optical Communication Communication Line Termination Line Termination Channel Channel (42) The wrapper protocol is used e.g. to gain cost efficient access for IP packets to an optical long distance network. © UNI Hannover, Institut für Allgemeine Nachrichtentechnik
  • 43. ISDN-Switching Equipment Interfaces (3) Multiplex Communication Multiplex Communication Line Termination Line Termination Interface Channel Interface Channel Switching matrix Uko, 2w ISDN line NT NT card analog, 300-3400Hz analog line NT NT card private automatic branch exchange S2m line digital, 2Mbit/s, S2m PABX PABX card 2Mbit/s 2Mbit/s line card 155Mbit/s Control Communication Communication Channel Channel (43) The concentration in this slide is on the switch, not the terminals which are only given for better understanding. The ISDN switches serve four different types of communication channels: the analog channel with a bandwidth of 3100Hz the ISDN Basic rate access for the ISDN telephone the ISDN primary rate access with 2Mbit/s (2,048) for the interconnection of PABX´s with a minimum need of 30 channels the 2Mbit/s access to other switches, using the transmission network (mainly SDH) Note, that the switching matrix is operating on 64Kbit/s only, world wide! The scenario for routers or switches in the data communication networks is very similar. The routers and switches are connected to the environment by the interfaces to the appropriate terminals (given there) and interfaces to the transmission and switching networks (SDH, X.25, ATM, WDM) © UNI Hannover, Institut für Allgemeine Nachrichtentechnik
  • 44. Internationale Referenzverbindung im öffentlichen Netz 160.000 km A1 A1 40000 km 40000 km G1 12.500 km 12.500 km A1 A1 5000 km 5000 km 100 km 400 km 1000 km 1000 km 400 km 100 km 1000km x xx xx xx xx xx xx xx xx x DEE DEE x y National International National Lokal Lokal D A A G1 A A D B1 B1 B C E (44) Diese internationale Referenzverbindung ist bei ITU standardisiert. Sie soll an dieser Stelle zeigen, welche Entfernungen in den einzelnen Netzabschnitten einer internationalen Datenverbindung zu überbrücken sind. Eine nationale Anschlußleitungslänge von 100km mag international kurz erscheinen, wenn wir aber diese Länge mit der Asl im Telefonnetz vergleichen, die höchstens 20km lang ist, und im Mittel sogar nur wenige km überbrückt, dann ist die Asl des Datennetzes extrem lang. Die Ursache dafür ist die niedrige Anschlußdichte in der Fläche. Für wenige Teilnehmer werden nur wenige Vermittlungsstellen aufgebaut und dafür die Teilnehmer über eine lange Asl herangeführt. Zum Vergleich, im ISDN sind einige tausend Vermittlungsstellen in der Bundesrepublik installiert, um etwa 40Mio Teilnehmer zu versorgen. Im dedizierten Datennetz werden einige 100Tsd Teilnehmer von einigen 10 Datenvermittlungsstellen versorgt. Die Konsequenzen aus dieser Länge der Asl sind: keine Fernspeisung der Endgeräte (die Verlustleistung auf der Asl wäre zu groß) elektronische Einrichtungen in der Asl sorgen für die Reichweitenerhöhung (Wartungsaufwand im Vergleich zu Investitionskosten) Die 160 000km kommen durch 2 Satellitenhops zusammen : gerundete Entfernung der Geostationären Satelliten (36000km senkrecht) 40000km rauf, 40000km runter, 40000rauf und 40000km runter. © UNI Hannover, Institut für Allgemeine Nachrichtentechnik
  • 45. The End (45) © UNI Hannover, Institut für Allgemeine Nachrichtentechnik
  • 46. Functions to layers in IEEE802.3 - Ethernet Layer Function 7: Application 6: Presentation Do you realize differences Do you realize differences 5: Session To the ISDN protocol stack? To the ISDN protocol stack? 4: Here only the layer 1 and 2 Here only the layer 1 and 2 Transport are specified, hence you need are specified, hence you need 3: Network other standards for the higher other standards for the higher Layers! 2: LLC Link Layers! Level Data Link Control MAC Media Access Control 1: connectors bit bit transmission synchronization Physical (46) The IEEE 802.3 (Ethernet) protocol stack compared to the last slide (ISDN Protocol stack) proofs the statement, that the functional assignment differs from application to application. The Ethernet LAN (Local Area Network) establishes links between terminals simply by broadcasting the messages on a shared media, e.g. an coaxial cable. This holds for the 10Mbit/s Ethernet only! The packets broadcasted carry the address of the receiver and are passing every station. Only the addressed station shall access the packet. For such a scheme a network layer is not required, there is no switching, no routing, no connection control. The protocol is indeed very simple. The simplicity is paid for with a high need for bandwidth, but that is not critical in the local access. Especially not in the later versions of the IEEE 802.3 with 100Mbit/s ore 1 Gbit/s where the medium is no longer shared between the connected stations. Mor details will be given in the lecture dealing with the layer 2. © UNI Hannover, Institut für Allgemeine Nachrichtentechnik
  • 47. physical layer, X.21 DÜE/DCE Zeit/time Transmit Network Steuerinfo zum Steuerinfo zum Transparente Daten, 8bit orientiert/ Rufabbau (IA5) Rufaufbau (IA5) Control Info to Control Info Release (IA5) for call setup (IA5) Zeit/time Receive Steuerinfo zum Steuerinfo zum Transparente Daten, 8bit orientiert Rufaufbau (IA5) Rufabbau (IA5) Control Info Control Info to for call setup (IA5) Release (IA5) Warum wird hier im Gegensatz zur Modemverbindung mit einer 4-Draht- Leitung gearbeitet? Die Leitung ist länger (mittlere Anschlussleitungslänge im Netz der Deutschen Bundespost etwa 70km) und muss unter Umständen verstärkt werden (47) © UNI Hannover, Institut für Allgemeine Nachrichtentechnik
  • 48. physical layer, ISDN S0-bus NT 4 wire What is substantially different from the configurations of RS232 and X.21? several Terminals are sharing one media! Collisions need to be prevented! How to do that? (48) © UNI Hannover, Institut für Allgemeine Nachrichtentechnik